虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嘗試與研究

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(河北醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，河北 石家莊 050017)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)技術(shù)最早是1965 年伊凡·蘇澤蘭(Ivan.E.Sutherland，美國(guó))在國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)(IFIP)上提出的[1]。業(yè)界人士認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種高度綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)、人體工程學(xué)、人機(jī)交互理論等多個(gè)學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù)[2]，即采用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用，而產(chǎn)生“身臨其境”的真實(shí)感受和體驗(yàn)。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，教育也要在這個(gè)信息技術(shù)變革的大潮中不斷地進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)的一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的必修課。然而，在實(shí)際教學(xué)中卻存在著多方面的不足，如：教學(xué)方式以單純的講解、練習(xí)為主；教學(xué)內(nèi)容較為死板，缺乏創(chuàng)新意識(shí)等。由此，導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)缺乏積極性和創(chuàng)新性，只是按照教材機(jī)械地不加思考地操作。所以，醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要進(jìn)行推陳出新，大刀闊斧地改革。改變落后的教學(xué)方法和內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)，采用新的教學(xué)手段輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)其創(chuàng)造力和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

經(jīng)參閱相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[3-4]，采用VR技術(shù)輔助醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境；激發(fā)學(xué)生興趣；能跨越時(shí)空界限，穿越實(shí)驗(yàn)中的微觀世界；能夠?yàn)榻逃ぷ髡咛峁┤碌慕虒W(xué)工具等多方面的優(yōu)勢(shì)。因此，我們?cè)诟母飳?shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用VR技術(shù)輔助醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，總結(jié)了實(shí)踐方案和研究成果，具體如下。

一、研究對(duì)象與方法

(一) 研究對(duì)象。

本校16級(jí)臨床醫(yī)學(xué)本科1，2小班學(xué)生，共53人，男女生在各班分配均勻，年齡均在19-21歲之間，1小班是VR教學(xué)組 (27人)，2小班是傳統(tǒng) (TT,Traditional Teaching) 教學(xué)組 (26人)，兩組學(xué)生在性別、年齡分布上均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

(二) 教學(xué)實(shí)施過(guò)程。

1.VR課件的制作。在VR輔助醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，先要制作符合教學(xué)要求的VR課件。具體步驟：(1) 建模及渲染：實(shí)驗(yàn)中的各種場(chǎng)景包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)，儀器設(shè)備及微觀的原子、分子等采用3D軟件進(jìn)行建模，制作三維仿真動(dòng)畫(huà)。(2) 將制作好的動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入到Unity 3D中，編輯動(dòng)作場(chǎng)景，交互指令，文字模型，音效及考核內(nèi)容等。(3) 將生成的虛擬仿真動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出到學(xué)生和教師使用的頭戴式VR設(shè)備中，完成課件制作。

2.教學(xué)的實(shí)施過(guò)程。TT教學(xué)組采用傳統(tǒng)授課方式，即講授實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)步驟等環(huán)節(jié)。VR教學(xué)組采用VR輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，分為三個(gè)階段：VR輔助實(shí)驗(yàn)講解階段，虛擬仿真互動(dòng)階段和真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。(1) VR輔助實(shí)驗(yàn)講解階段。利用VR課件及設(shè)備，給學(xué)生創(chuàng)造虛擬的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生從不同角度觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使其具有沉浸感，進(jìn)而激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣。當(dāng)學(xué)生走在微觀世界里面，通過(guò)與虛擬課件的互動(dòng)，使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?。采用PBL的教學(xué)理念，在講解和控制課件運(yùn)行的同時(shí)，提出事先設(shè)計(jì)好的問(wèn)題，讓學(xué)生在虛擬世界中尋找答案，解決問(wèn)題。(2) 虛擬仿真互動(dòng)階段。將VR課件的權(quán)限放開(kāi)，學(xué)生可以任意操作實(shí)驗(yàn)儀器，同時(shí)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)步驟和儀器的使用，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。如果操作出錯(cuò)，系統(tǒng)就會(huì)顯示虛擬的危險(xiǎn)場(chǎng)景，進(jìn)行提示。(3) 真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在虛擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)驗(yàn)交互型操作，需要計(jì)算機(jī)認(rèn)可的特殊手勢(shì)才行，與真實(shí)儀器的操作不同。因此，需要結(jié)合真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，并加以練習(xí)。

(三) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)價(jià)。

針對(duì)VR輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的三個(gè)階段，對(duì)學(xué)生進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)，主要在原理掌握，實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末考核等四個(gè)方面考察。將考察結(jié)果按一定比例算入綜合成績(jī)測(cè)評(píng)。此外，還以課堂表現(xiàn)，座談會(huì)和問(wèn)卷調(diào)查等方式了解教學(xué)效果。

(四) 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

二、研究結(jié)果

(一)形成性評(píng)價(jià)。

在形成性評(píng)價(jià)體系中的每個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組都存在著顯著差異(P<0.05)，尤其是實(shí)驗(yàn)操作和期末考核相對(duì)差異比較顯著(見(jiàn)表1)。

表1 形成性評(píng)價(jià)及實(shí)驗(yàn)考核情況(分，

注：*與TT組比較，P<0.05

(二)問(wèn)卷調(diào)查及課堂表現(xiàn)。

從調(diào)查問(wèn)卷和課堂表現(xiàn)中可以看出，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲，課堂注意力集中，課堂氣氛活躍，對(duì)知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)效率都有很大提高。通過(guò)調(diào)查該種授課方式得到學(xué)生的一致認(rèn)可(如表2)。

表2 課堂表現(xiàn)及問(wèn)卷調(diào)查情況

三、結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，VR輔助醫(yī)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，具有激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，充實(shí)理論知識(shí)；彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，節(jié)約資源；避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)可能的風(fēng)險(xiǎn)，安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，然而，目前的VR教學(xué)技術(shù)還處于發(fā)展階段，在很多地方還不成熟，如：(1)虛擬儀器的操作，由學(xué)生個(gè)人操作即可，缺乏團(tuán)隊(duì)合作交流；(2)在虛擬現(xiàn)實(shí)操作中，雖然是學(xué)生沉浸其中，但有“水中花，鏡中月”的感覺(jué)，技術(shù)上仍然缺乏真實(shí)性；(3)VR課件的開(kāi)發(fā)和制作是建立在教師長(zhǎng)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，需要進(jìn)一步完善。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，教師應(yīng)理性地看待虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不能全盤(pán)托付虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而應(yīng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與日常教學(xué)方式有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，選擇合適的內(nèi)容進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)操作。

總之，雖然VR技術(shù)在實(shí)踐中存在一些不足，但作為一種新型的教學(xué)媒體，仍具有鮮活的生命力，在輔助醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面已顯露出了良好的的教學(xué)潛力，并取得了良好的教學(xué)效果。因此，可以預(yù)言，隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展和醫(yī)學(xué)教育環(huán)境的不斷改善，該技術(shù)在新的醫(yī)學(xué)教學(xué)模式中將發(fā)揮著不可替代的作用。